Il Remote Sensing riguarda tutte le tecniche che consentono di ottenere informazioni su oggetti non vicini che sono ad una nota distanza dal sensore. Si può definire come una tecnica che permette di ottenere informazioni qualitative e quantitative di un oggetto, un’area o un fenomeno tramite l’analisi di dati acquisiti da un dispositivo a distanza (il sensore). Un trasduttore è un dispositivo che converte energia da una forma ad un’altra, producendo un segnale in uscita. Quando un trasduttore è in grado di ricevere e rispondere ad un segnale o ad una stimolazione con un segnale elettrico si definisce, appunto, sensore.
Il funzionamento, descritto schematicamente, rappresentato da una sorgente di energia elettromagnetica (il sole, la terra o il sensore stesso nel caso di sensori attivi). L'atmosfera influenza modificando, assorbendo e diffondendo la radiazione incidente e anche quella diretta verso il sensore. La radiazione incidente, a seconda delle caratteristiche della lunghezza d'onda e della superficie (che è comunque una sorgente ed emette radiazione elettromagnetica), viene assorbita e trasmessa in proporzioni variabili. L'energia riflessa o emessa viene rilevata dal sensore.
Fig. 18 Schematizzazione funzionamento del telerilevamento
Il Telerilevamento però non è solo acquisizione di informazione a distanza ma riguarda anche l'insieme dei metodi e delle tecniche per la successiva elaborazione e interpretazione. Lo scopo è quello di stabilire una corrispondenza tra la quantità e la qualità dell’energia riflessa o emessa e la natura o lo stato dei corpi o delle superfici dai quali l’energia proviene. Quindi con il telerilevameno, attraverso l’osservazione di campi di forza, di radiazione elettromagnetica o di energia acustica, per mezzo di macchine fotografiche, sistemi laser e radar, ricevitori a radio frequenza, sonar, dispositivi termici, magnetometri ed altri strumenti, si cerca di conoscere le caratteristiche degli oggetti investigate. In questo lavoro di tesi le applicazioni sono basata su informazioni provenienti dallo spettro delle onde elettromagnetiche: il principio fondamentale consiste nella capacità di ogni corpo di riflettere, assorbire e trasmettere una radiazione incidente in percentuali differenti, a seconda delle proprie qualità strutturali, chimiche, fisiche. Ogni corpo, avente una temperatura superiore allo zero assoluto, è in grado, inoltre, di emettere radiazioni di ampiezza e lunghezza d’onda dipendenti dalle proprietà termiche dell’oggetto stesso.
Se l'oggetto osservato è a distanza “elevata” si parla di Remote Sensing (come nel caso di osservazioni effettuate dai satelliti geostazionari - 36000 Km), altrimenti, se avviene a distanza ravvicinata, si parla di proximal sensing.
Qualunque superficie esterna di un corpo, a temperatura superiore allo zero assoluto15 emette radiazioni elettromagnetiche proprie che dipendono dalla temperatura del corpo e dalla natura della superficie. La stessa superficie riflette, assorbe o si lascia attraversare dalle radiazioni elettromagnetiche provenienti dall’esterno; emissione, riflessione, assorbimento e trasmissione delle radiazioni sono fenomeni strettamente collegati fra loro.
I vari sensori di telerilevamento hanno bande (porzioni discrete dello spettro) che possono essere utilizzate in funzione dei corpi che si intende maggiormente studiare. Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche che riguarda il campo del visibile va all'incirca da 0,4 a 0,7 µm.
Fig. 19 Spettro elettromagnetico (in evidenza il visibile)
L’energia elettromagnetica relativa all'oggetto osservato fornisce informazioni utili soprattutto nelle bande del visibile, infrarosso, microonde; qualche esperienza viene
15Per zero assoluto si intende lo zero della scala Kelvin, pari a -273.14 ° C (K = ° C + 273.14) e
condotta anche in banda ultravioletta, nonostante i limiti imposti dal comportamento dell’atmosfera in questa regione dello spettro elettromagnetico. Oltre alla risoluzione spettrale sono importanti anche altre caratteristiche degli strumenti di Remote Sensing; in sintesi sono da considerare:
• Risoluzione geometrica: dimensioni al suolo del pixel
• Risoluzione spettrale: intervallo di lunghezze d'onda a cui è sensibile lo strumento, il numero di finestre spettrali (bande) e la loro ampiezza
• Risoluzione radiometrica: la sensibilità del sensore intesa come minima energia in grado di stimolare il detector affinchè produca un segnale elettrico rilevabile dall'apparecchiatura
• Risoluzione temporale: tempo di rivisitazione della stessa porzione di territorio
Dal punto di vista storico, la fotografia rappresenta una delle prime applicazioni di Remote Sensing; difatti la fotografia ha permesso di estendere le possibilità di percezione e di registrare in modo permanente le osservazioni. Tuttavia il Telerilevamento moderno ha mosso i primi passi importanti nel 1960 con la missione TIROS-1 1960 avendo notevole evoluzioni fino ad oggi.
Un sistema di telerilevamento prevede che ci sia una sorgente di energia elettromagnetica (il sole, un dispositivo di emissione di energia elettromagnetica, o l’ambiente stesso nel caso di energia emessa), un mezzo di trasmissione per tale energia (l’atmosfera terrestre), una superficie o target riflettenti o emittenti di energia , un sensore in grado di osservare la superficie terrestre e posto su piattaforma orbitante, o veicolo aereo, in grado di rilevare l’energia elettromagnetica riflessa e/o emessa dalla superficie terrestre e di organizzarla in forma di dati. Nel caso di RS attivo il sensore è sia ricevitore che emettitore di energia, ovvero svolge il ruolo della sorgente. Ovviamente è necessario anche un sistema di telecomunicazione per controllare la piattaforma e gestire i dati acquisiti dal sensore e un sistema di elaborazione capace di trasformare un segnale
numerico in un’immagine e, successivamente, di estrarre automaticamente e/o facilitare l’estrazione delle informazioni utili.
I sensori più diffusi nel Remote Sensing per studi territoriali sono sensori multispettrali (Landsat, Spot, Quikbird, Aster, ecc.). Sono sensori che hanno basse risoluzioni spettrali e quindi hanno bande di notevole ampiezza; questo non permette una buona discriminazione delle caratteristiche spettrali. Invece i sensori iperspettrali
(Mivis, Aviris, HypMap, ecc.) hanno una risoluzione spettrale “migliore” e consentono di ottenere una discreta discriminazione di alcune bande di assorbimento. Di contro i sensori iperspettrali non hanno una larga copertura della superficie terrestre ed è anche questo uno dei motivi che induce a preferire per diversi applicazioni territoriali i sensori multispettrali.
Da pochi anni sono disponibili dati telerilevati con una risoluzione spaziale elevata, che consentono di aumentare notevolmente la scala di indagine, con prestazioni, in termini di accuratezza, paragonabili a quelle ottenute con le tradizionali tecniche aerofotogrammetriche. L’aumento della risoluzione spaziale aumenta il dettaglio della forma dell'oggetto ma implica un aumento dei parametri necessari per descrivere una classe. Normalmente ad una elevata risoluzione spaziale, con le attuali tecnologie per il rilievo da satellite, corrisponde una ridotta risoluzione spettrale, che impedisce un descrizione dettagliata di una superficie basandosi sulle misure di energia riflessa dalla stessa. Inoltre i dati satellitari ad alta risoluzione spaziale difficilmente sono gratuiti e per i casi di studio affrontati, che riguardano aree a scala vasta, sono stati considerati dati con una risoluzione spettrale più ampia (a discapito della risoluzione spaziale).